DE102004004620A1 - Medical x-ray imaging method for recording an examination area for use in medical navigational procedures, whereby a spatial position of an examination area is recorded just prior to each shot and images then spatially compensated - Google Patents

Medical x-ray imaging method for recording an examination area for use in medical navigational procedures, whereby a spatial position of an examination area is recorded just prior to each shot and images then spatially compensated Download PDF

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Abstract

Method for serial recording and superposition of medical images, whereby a number of images are recorded at regular intervals. A localization system is used during serial imaging to record the instantaneous position of an examination area as it is imaged. The first spatial position is recorded and for some or all of the subsequent images a change in position is determined so that the change can be compensated for. The first and subsequently spatially compensated groups are then combined and presented. An independent claim is included for an imaging system for implementing the inventive method.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Registrierung und Überlagerung von Bilddaten bei Serienaufnahmen in der medizinischen Bildgebung, bei der in zeitlichen Abständen mehrere Bilddatensätze eines Untersuchungsbereiches eines Patienten mit einem Bildgebungssystem aufgezeichnet und mit einem vorab mit dem Bildgebungssystem aufgezeichneten ersten Bilddatensatz des Untersuchungsbereiches in Beziehung gesetzt werden, insbesondere zur Überwachung von medizinischen Eingriffen mittels Röntgendurchleuchtung. Die Erfindung betrifft auch ein Bildgebungssystem zur Durchführung des Verfahrens.The The present invention relates to a method for registration and overlay of image data in continuous shooting in medical imaging, at intervals several image data sets an examination area of a patient with an imaging system recorded and pre-recorded with the imaging system first image data set of the examination area in relation especially for monitoring of medical interventions by means of fluoroscopy. The invention relates also an imaging system for performing the method.

Bei zahlreichen medizinischen Eingriffen muss ein Instrument, insbesondere ein Katheter, in Körperkanälen eines Patienten exakt durch einen Körperbereich geführt werden. So sind derartige Eingriffe bspw. in der Neuro-Radiologie für die Diagnose und Behandlung von vaskulären und anderen Krankheiten an Kopf, Genick und Wirbelsäule erforderlich. In diesen Fällen wird ein Katheter durch die periphere Arterie an das interessierende Gefäß herangeführt.at Numerous medical interventions must be an instrument, in particular a catheter, in body channels of a Patient exactly through a body area guided become. Such interventions are, for example, in neuro-radiology for the Diagnosis and treatment of vascular and other diseases on head, neck and spine required. In these cases becomes a catheter through the peripheral artery to the one of interest Introduced vessel.

Die exakte Führung des Instrumentes stellt eine anspruchsvolle Aufgabe dar. Gerade bei neuro-radiologischen Eingriffen kann die Führung des Katheters durch das arterielle System aufgrund der Vielzahl von Verzweigungen und gewundenen arteriellen Abschnitten deutlich erschwert sein. Zur Unterstützung des Arztes ist es bekannt, den Eingriff durch ein bildgebendes Verfahren, insbesondere durch Bildgebung mit einem Mono- oder Biplan-Röntgensystem zu unterstützen. Während des Eingriffes werden dabei über das Bildgebungssystem ständig zweidimensionale Projektionsbilder des Untersuchungsbereiches geliefert und dem Arzt dargestellt. In diesen Bildern lässt sich der momentane Ort des Instrumentes erkennen. Allerdings ist aufgrund der zweidimensionalen Bilderfassung die Orientierung innerhalb der Patientenanatomie noch immer schwierig.The exact guidance of the instrument is a demanding task. Straight in neuro-radiological surgery, the guidance of the catheter through the arterial system due to the variety of branches and tortuous arterial sections significantly more difficult. In support of the It is well known by physicians to undergo surgery through an imaging in particular by imaging with a mono- or biplane X-ray system to support. While of the procedure are over the imaging system constantly two-dimensional projection images of the examination area delivered and the doctor. In these pictures can be the current location recognize the instrument. However, due to the two-dimensional Image capture the orientation within the patient anatomy yet always difficult.

Daher werden auch Techniken eingesetzt, bei denen vor Beginn des Eingriffs ein dreidimensionaler Bilddatensatz des Untersuchungsbereiches mit dem gleichen C-Bogen Bildgebungssystem aufgezeichnet und während des Eingriffs gleichzeitig mit den zweidimensionalen Bildern dargestellt wird. Die Darstellung kann durch eine Überlagerung des 3D-Bilddatensatzes mit dem jeweiligen 2D-Bilddatensatz erfolgen. In diesem Fall wird das in Echtzeit aufgezeichnete 2D-Bild mit dem gerenderten, vorab erfassten 3D-Bilddatensatz überlagert, um ein sog. 3D-Roadmap zu erhalten. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Position eines interessierenden Merkmals, bspw. die Spitze des Katheters, aus den 2D-Bildern in den 3D-Bilddatensatz zu übertragen oder umgekehrt. Dies kann entweder manuell durch Markierung der jeweiligen Position in den beiden Bildern oder durch automatische Detektion der Katheterspitze in den Bilddaten erfolgen. Eine derartige Technik ist auch unter der Bezeichnung "linked cursor" bekannt. Beide Techniken werden in der vorliegenden Patentanmeldung unter dem Begriff 2D/3D-Bildüberlagerung subsumiert.Therefore There are also techniques used before the procedure begins a three-dimensional image data set of the examination area with the same C-arm imaging system recorded and during the Engagement simultaneously with the two-dimensional images becomes. The representation may be due to an overlay of the 3D image data set with the respective 2D image data set. In this case will the real-time recorded 2D image with the rendered, pre-recorded 3D image data set overlaid, to get a so-called 3D roadmap. Another possibility exists therein, the position of a feature of interest, for example the tip of the catheter to transfer from the 2D images into the 3D image data set or vice versa. This can be done either manually by marking the respective Position in the two images or by automatic detection the catheter tip done in the image data. Such a technique is also called "linked cursor "known. Both techniques are disclosed in the present patent application the term 2D / 3D image overlay subsumed.

Eine wesentliche Voraussetzung für die 2D/3D-Bildüberlagerung besteht darin, dass die geometrische Beziehung zwischen den aufgezeichneten 2D- und 3D-Bilddatensätzen bekannt sein muss. Bei einem unbeweglichen Untersuchungsobjekt kann dies durch einen einfachen Kalibrierungsprozess, bspw. unter Einsatz eines Kalibrierungsphantoms, realisiert werden. Falls sich der Patient jedoch zwischen der Aufzeichnung des 3D-Bilddatensatzes und der nachfolgenden 2D-Aufzeichnung bewegt, wird die Kalibrierung ungültig. Im Falle neuro-radiologischer Eingriffe kann dies bspw. zur Folge haben, dass sie Katheterposition nicht korrekt in den 3D-Bildern dargestellt wird. Die Bewegung des Patienten würde dann die Aufzeichnung eines neuen 3D-Bilddatensatzes erfordern. Aufgrund der Beschränkungen in der applizierbaren Röntgendosis und im applizierbaren Kon trastmittel können derartige Erneuerungen der Kalibrierung jedoch nicht häufig durchgeführt werden.A essential condition for the 2D / 3D image overlay is that the geometric relationship between the recorded 2D and 3D image data sets must be known. This can be done with an immovable examination object by a simple calibration process, eg. Using a calibration phantom, realized. If the patient however, between the recording of the 3D image data set and the moving the 2D recording, the calibration becomes invalid. in the In the case of neuro-radiological interventions, this may, for example, result in they do not display catheter position correctly in the 3D images becomes. The movement of the patient would then record a require new 3D image data set. Due to the restrictions in the applicable X-ray dose and in the administrable Kon can such renewals However, the calibration is not frequent carried out become.

Bisher wurde diese Problematik durch eine Registrierung der 2D/3D-Bilddatensätze vermindert. Bei dieser Registrierung wird der 3D-Bilddatensatz durch geometrische Operationen, insbesondere Translationen und Drehungen, an den jeweils aktuellen 2D-Datensatz angepasst. Dies erfolgt durch Nutzung der Informationen, die in beiden Datensätzen enthalten sind. Eine Möglichkeit der Registrierung besteht darin, charakteristische Strukturen zu identifizieren, die in beiden Datensätzen sichtbar sind. Die Ausrichtung der beiden Datensätze erfolgt dann anhand dieser Strukturen. Hierbei kann es sich um anatomische Landmarken, bspw. Gefäße oder Knochen, oder künstliche Marker handeln, die während der 3D- und 2D-Bildgebung am Patienten fixiert sind. Eine weitere Möglichkeit der Registrierung besteht darin, bildbasierendes Verfahren einzusetzen, die die Ähnlichkeit zwischen künstlich berechneten Projektionen aus dem 3D-Bilddatensatz und dem 2D-Bild zu maximieren versuchen.So far this problem was reduced by registering the 2D / 3D image datasets. at This registration is the 3D image data set by geometric Operations, in particular translations and rotations, to each adjusted current 2D dataset. This is done by using the Information contained in both records. A possibility the registration consists of characteristic structures identify that are visible in both records. The alignment of the two records then takes place on the basis of these structures. This may be anatomical Landmarks, for example, vessels or Bone, or artificial Act during the marker 3D and 2D imaging are fixed on the patient. Another possibility registration is to use image-based method, the similarity between artificial calculated projections from the 3D image data set and the 2D image try to maximize.

Beispiele für die 2D/3D-Registrierung können beispielsweise den Veröffentlichungen von J. Weese et al., "2D/3D Registration and Motion Tracking for Surgical Interventions", Philips Journal of Research 51 (1998), 299-316, und von G.P. Penney et al., "Validation of a two- to three-dimensional registration algorithm for aligning preoperative CT images and intraoperative fluoroscopy images", Med. Phys. 28 (6), June 2001, 1024-1032, entnommen werden.Examples of the 2D / 3D registration can be found, for example, in the publications of J. Weese et al., "2D / 3D Registration and Motion Tracking for Surgical Intervention", Philips Journal of Research 51 (1998), 299-316, and GP Penney et al., "Validation of a two-to-three-dimensional registration algorithm for aligning preoperative CT images and intraoperative fluoroscopy images", Med. Phys. 28 (6), June 2001, 1024-1032.

Eine Registrierung auf Basis von künstlichen Markern hat jedoch den Nachteil, dass die Positionierung der Marker schwierig, zeitaufwendig und manchmal nur auf invasivem Wege möglich ist. Weiterhin müssen die Marker in den Bildern identifiziert werden. Dies erfordert regelmäßig eine Interaktion mit dem Nutzer. Bei einer Registrierung auf Basis von anatomischen Merkmalen ist die Genauigkeit beschränkt, da derarti ge Landmarken schwer exakt zu lokalisieren sind. Registrierungstechniken, die auf Bildverarbeitung basieren erfordern häufig sehr hohe Rechenkapazitäten und entsprechen Rechenzeit. Weiterhin sind diese Verfahren oft numerisch instabil und erfordern ebenfalls eine Interaktion mit dem Benutzer.A Registration based on artificial markers however, has the disadvantage that the positioning of the markers is difficult time-consuming and sometimes only by invasive means possible. Continue to have the markers are identified in the pictures. This requires a regular Interaction with the user. When registering on the basis of anatomical Characteristics, the accuracy is limited because such ge ge landmarks hard to locate exactly. Registration techniques that Based on image processing often require very high computing capacity and correspond to calculation time. Furthermore, these methods are often numeric unstable and also require interaction with the user.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Registrierung und Überlagerung von Bilddaten bei Serienaufnahmen in der medizinischen Bildgebung anzugeben, das eine genaue Überlagerung ohne aufwendige Benutzerinteraktion ermöglicht.outgoing from this prior art, the object of the present Invention therein, a method of registration and overlay of image data in continuous shooting in medical imaging specify that an exact overlay without extensive user interaction.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Patentanspruch 9 gibt ein Bildgebungssystem zur Durchführung des Verfahrens an. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie des Bildgebungssystems sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The Task is solved by the method according to claim 1. claim Fig. 9 indicates an imaging system for performing the method. advantageous Embodiments of the method and the imaging system are Subject of the dependent claims or can be the following description and the embodiments remove.

Bei dem vorliegenden Verfahren zur Registrierung und Überlagerung von Bilddaten bei Serienaufnahmen in der medizinischen Bildgebung, bei der in zeitlichen Abständen mehrere Bilddatensätze eines Untersuchungsbereiches eines Patienten mit einem Bildgebungssystem aufgezeichnet und mit einem vorab mit dem Bildgebungssystem aufgezeichneten ersten Bilddatensatz des Untersuchungsbereiches in Beziehung gesetzt werden, wird ein Lokalisationssystem eingesetzt, mit dem während der Durchführung der Serienaufnahmen ständig oder zumindest in jeweils zeitlicher Nähe zur Aufzeichnung einzelner Bilddatensätze eine momentane räumliche Lage des Untersuchungsbereiches in einem fest mit dem Bildgebungssystem verbundenen Bezugssystem erfasst wird. Bei der Aufzeichnung des ersten Bilddatensatzes, vorzugsweise eines 3D-Bilddatensatzes, wird eine erste räumliche Lage des Untersuchungsbereiches festgehalten. In gleicher Weise werden bei der Aufzeichnung einiger oder aller weiteren Bilddatensätze, bei denen es sich vorzugsweise um 2D-Bilddatensätze handelt, die jeweiligen räumlichen Lagen des Untersuchungsbereiches ebenfalls erfasst. Der Bildinhalt des ersten Bilddatensatzes wird nach der Aufzeichnung jedes weiteren Bilddatensatzes auf Basis eines Unterschiedes zwischen der ersten und der momentanen räumlichen Lage jeweils geometrisch derart angepasst, insbesondere gedreht und/oder verschoben, dass eine unterschiedliche räumliche Lage des Untersuchungsbereiches kompensiert wird. Der auf diese Weise geometrisch angepasste erste Bilddatensatz oder ein aus diesem abgeleiteter, bspw. gerenderter, oder mit diesem durch Registrierung lagerichtig verbundener Bilddatensatz wird dann mit dem jeweils weiteren Bilddatensatz oder aus diesem abgeleiteten Bilddatensatz, der bspw. nur einige Details umfasst, dem Benutzer überlagert oder kombiniert dargestellt. Hierbei können die Techniken der 2D/3D-Bildüberlagerung zum Einsatz kommen, die in der Beschreibungseinleitung angeführt sind.at the present method of registration and overlay of image data in continuous shooting in medical imaging, at intervals several image data sets an examination area of a patient with an imaging system recorded and pre-recorded with the imaging system first image data set of the examination area in relation A localization system is used with which during the execution continuous shooting all the time or at least in temporal proximity to the recording of individual Image data sets a momentary spatial location of the examination area in a fixed with the imaging system connected reference system is detected. When recording the first image data set, preferably a 3D image data set is a first spatial Location of the examination area recorded. In the same way when recording some or all of the other image data sets which are preferably 2D image data sets, the respective spatial Positions of the examination area also recorded. The picture content of the first image data set becomes after the recording of each other Image data set based on a difference between the first and the current spatial Position each geometrically adapted, in particular rotated and / or postponed that to a different spatial Location of the examination area is compensated. The on this Way geometrically adapted first image data set or one out of this derived, for example, rendered, or with this by registration In the correct position associated image data set is then with each another image data set or from this derived image data set, the example includes only a few details, the user superimposed or combined. Here, the techniques of 2D / 3D image overlay be used, which are listed in the introduction to the description.

Ein mit dem ersten Bilddatensatz durch Registrierung lagerichtig verbundener Bilddatensatz kann bspw. ein Bilddatensatz sein, der mit einer anderen Modalität aufgezeichnet wurde. So kann es sich hierbei bei Einsatz eines Röntgen-C-Bogen-Gerätes zur Aufzeichnung des ersten und der weiteren Bilddatensätze bspw. um einen mit einer CT-, MR- oder PET-Anlage aufgezeichneten Bilddatensatz handeln.One with the first image data set by registration correctly connected For example, an image data set may be an image data set that may be associated with another image data set modality was recorded. So it can be here when using an X-ray C-arm device for Recording the first and the further image data sets eg. to deal with a recorded with a CT, MR or PET system image data set.

Mit dem vorliegenden Verfahren lässt sich die Registrierung und Überlagerung von Bilddatensätzen bei Serienaufnahmen in der medizinischen Bildgebung unabhängig von der Bildqualität zuverlässig und in Echtzeit realisieren. Das Verfahren eignet sich insbesondere für die 2D/3D-Bildregistrierung und -überlagerung, vor allem im Bereich des Roadmapping während eines medizinischen Eingriffs. Auch eine Registrierung von sog. 4D-Datensätzen, d.h. von Datensätzen, die neben einer dreidimensionalen Ortsinformation auch eine Zeitinformation beinhalten, mit anderen Datensätzen ist mit dem Verfahren in gleicher Weise möglich. Da das Verfahren ohne künstliche oder anatomische Marker auskommt, erfordert es keine aufwendige Interaktion des Benutzers während der Patientenbehandlung. Die einzige zusätzliche Maßnahme besteht gegebenenfalls in der Anbringung des Lagesensors für das Lokalisationssystem sowie ggf. der einmaligen Kalibrierung dieses Lokalisationssystems. Die Kalibrierung ist jedoch sehr einfach und kann leicht mit der Kalibrierung für die 3D-Datenaquirierung verbunden werden. Das vorgeschlagene Verfahren zur Registrierung der Bilddaten über das Lokalisationssystem erfordert keine aufwendigen Rechenoperationen und ist daher leicht in Echtzeit ausführbar.With the present method itself the registration and overlay of image data sets in continuous shooting in medical imaging regardless of the picture quality reliable and realize in real time. The method is particularly suitable for the 2D / 3D image registration and overlay, especially in the field of roadmapping during a medical procedure. Also, registration of so-called 4D records, i. of records that in addition to a three-dimensional location information also a time information Include, with other records is possible in the same way with the method. Since the procedure without artificial or anatomical markers does not require a complex interaction the user during the patient treatment. The only additional measure may be necessary in the installation of the position sensor for the localization system as well if necessary, the one-time calibration of this localization system. The However, calibration is very easy and can easily be done with the calibration for the 3D data acquisition. The proposed procedure to register the image data via The localization system does not require any elaborate arithmetic operations and is therefore easily executed in real time.

Als Lokalisationssystem wird vorzugsweise ein Gerät eingesetzt, mit dem die Position und Orientierung (insgesamt 6 Freiheitsgrade) eines Lagesensors im dreidimensionalen Raum gemessen werden können. Beispiele für derartige Lokalisationssysteme sind optoelektronische Positionssensoren, bspw. OPTTRAK 3020, Northern Digital, Waterloo, Kanada oder elektromagnetische Lokalisationssysteme, wie bspw. von Biosense Webster Inc., Diamond Bar, CA, USA oder das System Bird der Firma Ascension, Milton, VT, USA. Selbstverständlich lassen sich auch andere Lokalisationssysteme, mit denen die räumliche Lage des Untersuchungsbereiches im Raum erfasst werden kann, einsetzen. So können bspw. auch 3 Positionssensoren am Untersuchungsobjekt angebracht werden, aus deren räumlicher Position auch die Orientierung des Untersuchungsbereiches abgeleitet werden kann. Auch optische Abtastsysteme oder ähnliches, die ohne Anbringung eines Sensors am Patienten arbeiten, sind möglich.The location system used is preferably a device with which the position and orientation (in total 6 degrees of freedom) of a position sensor in three-dimensional space can be measured. Examples of such localization systems are optoelectronic position sensors, eg. OPTTRAK 3020, Northern Digital, Waterloo, Canada, or electromagnetic localization systems such as Biosense Webster Inc., Diamond Bar, CA, USA, or Ascension's Bird System, Milton, VT, USA. Of course, other localization systems, with which the spatial position of the examination area can be detected in space, can be used. Thus, for example, 3 position sensors can also be attached to the examination object, from the spatial position of which the orientation of the examination area can be derived. Also optical scanning systems or the like, which operate without attaching a sensor to the patient, are possible.

Das vorliegende Bildgebungssystem umfasst zumindest eine Strahlungsquelle und einen Detektor, eine Patientenliege, eine Steuereinheit, eine Registrierungseinheit, eine Bildverarbeitungs- und eine Bildanzeigeeinheit, wobei die Bildverarbeitungseinheit zur überlagerten Darstellung eines gespeicherten Bilddatensatzes mit zumindest einem gerade aufgezeichneten Bilddatensatz an der Bildanzeigeeinheit ausgebildet ist. Das Bildgebungssystem zeichnet sich dadurch aus, dass die Registrierungseinheit und die Bildverarbeitungseinheit zur Registrierung und Bildüberlagerung auf Basis von momentanen Lagedaten eines Lokalisationssystems gemäß dem vorliegenden Verfahren ausgebildet ist. Insbesondere ist die Registrierungseinheit so ausgebildet, dass sie in Echtzeit die Bildverarbeitungseinheit zur geometrischen Anpassung eines Bildinhaltes des abgespeicherten Bilddatensatzes auf Basis einer von einem Lokalisationssystem erfassten Bewegung eines Patienten so ansteuert, das die erfasste Bewegung bei Überlagerung des gespeicherten Bilddatensatzes mit dem gerade aufgezeichneten Bilddatensatz kompensiert ist.The The present imaging system comprises at least one radiation source and a detector, a patient couch, a control unit, a registration unit, an image processing unit and an image display unit, wherein the image processing unit to the superimposed Representation of a stored image data set with at least one just recorded image data set formed on the image display unit is. The imaging system is characterized in that the registration unit and the image processing unit for registration and image overlay based on current location data of a localization system according to the present invention Method is formed. In particular, the registration unit designed to be in real time the image processing unit for geometric adaptation of a picture content of the stored Image data set based on a localization system Movement of a patient so activates the movement detected at overlay the stored image data set with the just recorded Image data set is compensated.

Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:The present methods as well as the associated device are hereafter based on an embodiment explained in more detail in conjunction with the drawings. Hereby show:

1 ein Beispiel für ein C-Bogen-Gerät als Bildgebungssystem zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens; 1 an example of a C-arm device as an imaging system for carrying out the present method;

2 ein Beispiel für die Kalibrierung des Lokalisationssystems in dem C-Bogen-Gerät der 1; 2 an example of the calibration of the localization system in the C-arm device of 1 ;

3 ein Beispiel für die Aufzeichnung des ersten Bilddatensatzes mit der ersten räumlichen Lage des Untersuchungsbereiches; und 3 an example of the recording of the first image data set with the first spatial position of the examination area; and

4 ein Beispiel für die Aufzeichnung der weiteren Bilddatensätze sowie die Überlagerung. 4 an example for the recording of the other image data records and the overlay.

Im Folgenden wird das vorliegende Verfahren anhand einer Röntgen-Angiographieanlage für Anwendungen in der Neuro-Radiologie beschrieben. Das Verfahren kann selbstverständlich auch auf anderen Gebieten der medizinischen Bildgebung, bei denen Serienaufnahmen gemacht und zum Teil mit einem vorab erstellten Bilddatensatz überlagert dargestellt werden müssen, eingesetzt werden.in the The present method is described below with reference to an X-ray angiography system for applications described in neuro-radiology. The procedure can of course also in other areas of medical imaging where continuous shooting made and partly overlaid with a pre-created image data set have to be represented be used.

Für die Bildaufnahmen wird eine Röntgen-Angiographieanlage 1 für die Neuro-Radiologie eingesetzt, die schematisch in der 1 dargestellt ist. Die Röntgen-Angiographieanlage 1 besteht u. a. aus einem um zwei Achsen rotierbaren C-Bogen 1a, an dem eine Röntgenröhre 10 und ein der Röntgenröhre gegenüberliegender Detektor 11 befestigt sind, einer Bildverarbeitungseinheit 12 und einer Bildanzeigeeinheit 13. Weiterhin umfasst diese Anlage den Patiententisch 16, eine Steuereinheit 14 für die Bildaufnahmesteuerung sowie die Registrierungseinheit 15. Durch Rotation des C-Bogens 1a lassen sich unterschiedliche Projektionen des Untersuchungsbereiches des während der Untersuchung auf dem Patiententisch 16 gelagerten Patienten als zweidimensionale Bilder aufzeichnen. Die dargestellte Röntgen-Angiographieanlage 1 besitzt auch die Möglichkeit, Rotationsangiographie-Aufnahmen durchzuführen und 3D-Bilder zu erzeugen. Beim vorliegenden Verfahren wird ein Lokalisationssystem 2 für die Erfassung der Lage des Untersuchungsbereiches des Patienten, im vorliegenden Beispiel des Kopfes des Patienten, eingesetzt. Bei diesem Lokalisationssystem 2 handelt es sich im vorliegenden Beispiel um ein Gerät, mit dem die Position und Orientierung eines Lagesensors 2a im dreidimensionalen Raum gemessen werden kann.The images are taken by an X-ray angiography system 1 used for neuro-radiology, which is schematically shown in the 1 is shown. The X-ray angiography system 1 consists inter alia of a two-axis rotatable C-arm 1a at which an x-ray tube 10 and a detector opposite the X-ray tube 11 are attached, an image processing unit 12 and an image display unit 13 , Furthermore, this system includes the patient table 16 , a control unit 14 for the image acquisition control as well as the registration unit 15 , By rotation of the C-arm 1a can be different projections of the examination area during the examination on the patient table 16 to record stored patients as two-dimensional images. The illustrated X-ray angiography system 1 also has the ability to perform rotational angiography scans and create 3D images. The present method becomes a localization system 2 for detecting the position of the examination area of the patient, in the present example, the head of the patient used. In this localization system 2 In the present example, this is a device with which the position and orientation of a position sensor 2a can be measured in three-dimensional space.

Vor der Benutzung des Lokalisationssystems 2 muss eine Kalibrierung zwischen den Koordinatensystemen der Angiographieanlage 1 und des Lokalisationssystems 2 durchgeführt werden. Die Kalibrierung besteht aus 6 Parametern, die die Rotation und Translation der beiden Koordinatensysteme relativ zueinander beschreiben. Für die Durchführung einer derartigen Kalibrierung stehen unterschiedliche Verfahren zur Verfügung:

  • – Eine Möglichkeit der Kalibrierung besteht darin, ein Kalibrierphantom 3 einzusetzen, das mittels Röntgenbildgebung aus verschiedenen Winkeln aufgezeichnet wird, wie dies in der 2 veranschaulicht ist. Während der Bildaufzeichnung 1b ist der Sensor 2a des Lokalisationssystems 2 mit dem Kalibrierphantom 3 verbunden. Durch die feste Beziehung von Markierungen 3a am Phantom 3, die auf den aufgezeichneten Röntgenbildern detektiert werden können, und dem Sensor 2a, kann die räumliche Lage des Sensors 2a (und somit des Koordinatensystems des Lokalisationssystems) relativ zum Koordinatensystem der Angiographieanlage 1 in einem Berechnungsschritt 4 berechnet werden. Diese Beziehungen bzw. Kalibrierdaten werden gespeichert (5).
  • – Eine weitere Kalibriertechnik betrifft die Kalibrierung eines elektromagnetischen Lokalisationssystems. Hier könnte der Sender an einer Stelle angebracht werden, deren Position relativ zum Koordinatensystem der Angiographieanlage bekannt ist. In diesem Fall sind keine weiteren Schritte für die Kalibrierung mehr erforderlich.
  • – Bei Einsatz eines optischen Lokalisationssystems könnte eine Marker-Platte am Detektor oder einem sonstigen Teil der Angiographieanlage angebracht werden, dessen Position relativ zum Koordinatensystem der Angiographieanlage bekannt ist. Auch hier sind dann keine weiteren Kalibrierschritte mehr erforderlich. Eine weitere Möglichkeit ohne zusätzliche Kalibrierschritte besteht in diesem Fall darin, die Kamera des optischen Lokalisationssystems fest an der Decke des Untersuchungsraumes zu installieren.
Before using the localization system 2 must have a calibration between the coordinate systems of the angiography system 1 and the localization system 2 be performed. The calibration consists of 6 parameters describing the rotation and translation of the two coordinate systems relative to each other. Various methods are available for carrying out such a calibration:
  • - One way of calibrating is to use a calibration phantom 3 which is recorded by X-ray imaging from different angles, as in the 2 is illustrated. During the picture recording 1b is the sensor 2a of the localization system 2 with the calibration phantom 3 connected. Due to the fixed relationship of marks 3a at the phantom 3 that can be detected on the recorded X-ray images and the sensor 2a , can the spatial location of the sensor 2a (and thus the coordinate system of localization system) relative to the coordinate system of the angiography system 1 in a calculation step 4 be calculated. These relations or calibration data are stored ( 5 ).
  • - Another calibration technique concerns the calibration of an electromagnetic localization system. Here, the transmitter could be mounted at a location whose position relative to the coordinate system of the angiography system is known. In this case, no further steps are required for the calibration.
  • - When using an optical localization system, a marker plate could be attached to the detector or other part of the angiography system whose position relative to the coordinate system of the angiography system is known. Again, then no further calibration steps are required. Another possibility without additional calibration steps in this case is to install the camera of the optical localization system firmly on the ceiling of the examination room.

Die Kalibrierung, die im vorliegenden Beispiel mit der ersten beschriebenen Technik vorgenommen wird, ist in der Regel nur einmalig bei Installation des Systems erforderlich.The Calibration, which in the present example with the first described Technique is usually only once during installation required by the system.

Die Vorgehensweise bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens ist aus den 3 und 4 ersichtlich. Zunächst wird der Sensor 2a des Lokalisationssystems 2 am Kopf des Patienten 17 fixiert, wie dies schematisch aus der 3 ersichtlich ist. Dies kann bspw. durch eine Klebeverbindung er folgen. Unmittelbar vor der Aufzeichnung 1b eines 3D-Bilddatensatzes wird automatisch, d. h. ohne Benutzer-Interaktion, die momentane Lage des Sensors 2a und somit des Kopfes des Patienten 17 mit dem Lokalisationssystem 2 erfasst. Diese anfängliche Lage, d. h. Position und Orientierung, wird unter Berücksichtigung der abgespeicherten Kalibrierungsdaten 5 im Bezugssystem des Bildgebungssystems 1 berechnet und ebenfalls abgespeichert. Anschließend wird die 3D-Aufnahme durchgeführt und der resultierende 3D-Bilddatensatz ebenfalls abgespeichert (7).The procedure for carrying out the present method is known from the 3 and 4 seen. First, the sensor 2a of the localization system 2 on the patient's head 17 fixed, as shown schematically in the 3 is apparent. This can, for example, by an adhesive connection he follow. Immediately before the recording 1b of a 3D image data set is automatically, ie without user interaction, the current position of the sensor 2a and thus the patient's head 17 with the localization system 2 detected. This initial position, ie position and orientation, is calculated taking into account the stored calibration data 5 in the frame of reference of the imaging system 1 calculated and also saved. Subsequently, the 3D image is taken and the resulting 3D image data set is also stored ( 7 ).

Während der nachfolgenden Bildaufnahmen 1c der 2D-Bilddaten wird die jeweils momentane Lage des Sensors 2a ständig durch das Lokalisationssystem 2 erfasst. Aus dem Vergleich der gespeicherten anfänglichen Lage und der momentanen Lage des Sensors 2a unter Berücksichtigung der Kalibrierdaten wird eine Patientenbewegung in der Registriereinheit 15 berechnet (8). Mit dieser Information wird der abgespeicherte 3D-Bilddatensatz entsprechend gedreht und verschoben (9a). Die jeweils aufgezeichneten 2D-Bilder und der transformierte 3D-Bilddatensatz werden dann überlagert (9b) und das überlagerte Bild an einer Bildanzeigeeinheit 13 dargestellt (9c).During the following pictures 1c The 2D image data becomes the current position of the sensor 2a constantly through the localization system 2 detected. From the comparison of the stored initial position and the current position of the sensor 2a taking into account the calibration data, a patient movement is in the registration unit 15 calculated ( 8th ). With this information, the stored 3D image data set is correspondingly rotated and shifted ( 9a ). The recorded 2D images and the transformed 3D image data set are then superimposed ( 9b ) and the superimposed image on an image display unit 13 represented ( 9c ).

Weiterhin ist es möglich, neben den bisher betrachteten Transformationen für einen starren Körper auch eine Registrierung hinsichtlich elastischer Körperbestandteile, wie bspw. des Thorax vorzunehmen. Hierbei können am Thorax mehrere Sensoren angebracht werden, die die elastische Bewegung erfassen. Diese Bewegung kann dann durch geeignete geometrische Transformation des ersten Bilddatensatzes mit den jeweils weiteren Bilddatensätzen registriert und überlagert werden.Farther Is it possible, besides the previously considered transformations for a rigid body as well a registration regarding elastic body components, such as. of the thorax. Here, several sensors can be attached to the thorax which capture the elastic movement. This movement can then by suitable geometric transformation of the first image data set registered and superimposed with the respective further image data records become.

Claims (10)

Verfahren zur Registrierung und Überlagerung von Bilddaten bei Serienaufnahmen in der medizinischen Bildgebung, bei der in zeitlichen Abständen mehrere Bilddatensätze eines Untersuchungsbereiches eines Patienten (17) mit einem Bildgebungssystem (1) aufgezeichnet und mit einem vorab mit dem Bildgebungssystem (1) aufgezeichneten ersten Bilddatensatz des Untersuchungsbereiches in Beziehung gesetzt werden, bei dem – mit einem Lokalisationssystem (2) während der Durchführung der Serienaufnahmen ständig oder zumindest in jeweils zeitlicher Nähe zur Aufzeichnung einzelner Bilddatensätze eine momentane räumliche Lage des Untersuchungsbereiches in einem fest mit dem Bildgebungssystem (1) verbundenen Bezugssystem erfasst wird, – bei der Aufzeichnung des ersten Bilddatensatzes eine erste räumliche Lage des Untersuchungsbereiches festgehalten wird, – bei der Aufzeichnung einiger oder aller weiteren Bilddatensätze die jeweils momentane räumliche Lage des Untersuchungsbereiches erfasst und ein Bildinhalt des ersten Bilddatensatzes auf Basis eines Unterschiedes zwischen der ersten und der momentanen räumlichen Lage jeweils geometrisch derart angepasst wird, dass eine unterschiedliche räumliche Lage des Untersuchungsbereiches kompensiert wird, und – der geometrisch angepasste erste Bilddatensatz oder ein aus diesem abgeleiteter oder mit diesem durch Registrierung lagerichtig verbundener Bilddatensatz mit dem jeweils weiteren oder aus diesem abgeleiteten Bilddatensatz kombiniert dargestellt wird.Method for registering and superimposing image data in continuous shooting in medical imaging, in which at intervals several image data records of an examination area of a patient ( 17 ) with an imaging system ( 1 ) and pre-recorded with the imaging system ( 1 ) are related to the first image data set of the examination region, in which - with a localization system ( 2 ) during the continuous shooting continuously or at least in each temporal proximity to the recording of individual image data sets a current spatial position of the examination area in a fixed to the imaging system ( 1 In the recording of the first image data set, a first spatial position of the examination region is recorded; during the recording of some or all further image data sets, the respective current spatial position of the examination region is recorded and an image content of the first image data set based on a difference between the first and the current spatial position is in each case geometrically adjusted such that a different spatial position of the examination region is compensated, and - the geometrically adapted first image data set or an image data set derived therefrom or associated with it by registration with the respectively further or from this derived image data set is displayed combined. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als erster Bilddatensatz ein 3D-Bilddatensatz des Untersuchungsbereiches aufgezeichnet wird.Method according to claim 1, characterized in that that as a first image data set a 3D image data record of the examination area is recorded. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekekennzeichnet, dass als weitere Bilddatensätze 2D-Bilddatensätze des Untersuchungsbereiches aufgezeichnet werden.A method according to claim 1 or 2, characterized gekkennzeichnet, that as further image data sets 2D image data sets of Be recorded in the examination area. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und die weiteren Bilddatensätze mit einem Röntgen-C-Bogen-Gerät als Bildgebungssystem (1) aufgezeichnet werden.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first and the further image data sets are provided with an X-ray C-arm device as an imaging system ( 1 ) to be recorded. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem ersten Bilddatensatz durch Registrierung lagerichtig verbundener Bilddatensatz eines anderen Bildgebungssystems mit dem jeweils weiteren Bilddatensatz überlagert dargestellt wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized that one with the first image data record by registration in the correct position linked image data set of another imaging system with the each further image data set superimposed is pictured. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die geometrische Anpassung des Bildinhaltes des ersten Bilddatensatzes zusätzlich ein retrospektives Bildverarbeitungsverfahren zur Korrektur von verbleibenden Unterschieden eingesetzt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized that for the geometric adaptation of the image content of the first image data set additionally a retrospective image processing method for the correction of remaining differences is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Anpassung des Bildinhaltes des ersten Bilddatensatzes und die überlagerte Darstellung mit dem jeweils weiteren Bilddatensatz in Echtzeit erfolgen.Method according to one of claims 1 to 6, characterized that the geometric adaptation of the image content of the first image data set and the superimposed Representation with the respective further image data set in real time. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Anpassung des Bildinhaltes des ersten Bilddatensatzes eine Translation in ein, zwei oder drei Translationsfreiheitsgraden und/oder eine Rotation in ein, zwei oder drei Rotationsfreiheitsgraden umfasst.Method according to one of claims 1 to 7, characterized that the geometric adaptation of the image content of the first image data set a Translation in one, two or three translational degrees of freedom and / or a rotation in one, two or three rotational degrees of freedom. Bildgebungssystem, zumindest bestehend aus einer Strahlungsquelle (10), einem Strahlungsdetektor (11), einem Patiententisch (16), einer Steuereinheit (14) für eine Bildaufnahmesteuerung, einer Registrierungseinheit (15), einer Bildverarbeitungseinheit (12) und einer Bildanzeigeeinheit (13), dadurch gekennzeichnet, die Registrierungseinheit (15) und die Bildverarbeitungseinheit zur Registrierung und Überlagerung von Bilddatensätzen gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet sind.Imaging system, at least consisting of a radiation source ( 10 ), a radiation detector ( 11 ), a patient table ( 16 ), a control unit ( 14 ) for an image acquisition control, a registration unit ( 15 ), an image processing unit ( 12 ) and an image display unit ( 13 ), characterized by the registration unit ( 15 ) and the image processing unit for registering and superimposing image data sets according to the method of any one of claims 1 to 8 are formed. Bildgebungssystem nach Anspruch 9, das als Röntgen-C-Bogen-Gerät ausgebildet ist.Imaging system according to claim 9, which is designed as X-ray C-arm device is.
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